上软下硬地层小净距双线矩形隧道减震措施研究

崔光耀，熊 泳，郭艳军

(1.北方工业大学 土木工程学院，北京 100144；2.中国电建集团四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610041)

随着经济的发展，我国的交通基础设施建设持续深入发展。隧道作为交通基础设施的重要组成部分，其抗震性能将直接影响交通的正常运行[1]。因此，提高隧道的抗震性能变得尤为重要。

目前，国内主要有两种途径来提高隧道的抗震性能，一是结构加固或围岩加固[2]，二是施作减震层、减震缝[3]。两种途径各有利弊[4]，要保障强震区隧道的结构安全性，需要选择合适的抗减震措施。

国内外学者都对隧道减震层进行了诸多的研究，研究的主要方面有：通过数值模拟和振动台试验，对减震层的减震机制进行了研究[5]；通过振动台试验，研究了减震层对衬砌裂缝数量的影响，结果表明设置减震层能有效抑制衬砌开裂[6]；通过数值模拟，研究了减震层厚度对减震效果的影响[7]；通过振动台试验，研究了减震层对结构位移、应力、加速度响应的影响，结果表明减震层能有效改善结构的受力性能，协调隧道的整体变形，降低衬砌的内力[8]；通过模型试验，研究了不同减震层材料对减震效果的影响[9-10]；通过模型试验，研究了断层条件下减震层的减震效果[11-12]；通过数值模拟，研究了软硬围岩交界面的倾角对减震层减震效果的影响[13-14]。上述研究主要集中在减震层的减震原理、减震层的材料和厚度以及不良地质条件下减震层的减震效果等方面，但是在双线矩形隧道减震层的施设方式方面研究却很少。

因此，本文依托某小净距双线矩形隧道工程，通过FLAC3D软件进行数值模拟，研究了上软下硬复合地层减震层的施设方式对减震效果的影响，研究结果可以为类似工程抗震设防设计提供借鉴。

1 工程概况

1.1 地质概况

隧址区的地层主要分为两层，上层是素填土和粉质粘土，为Ⅴ级围岩；下层是中风化的花岗岩，岩性较好，为Ⅱ级围岩。

1.2 隧道结构

该隧道为小净距双线矩形隧道，单个矩形隧道宽度为12.6m，高度为7.65m，两隧道净距为6m。隧道衬砌采用C25混凝土浇筑，厚度为0.5m。

2 计算概况

2.1 计算模型

根据该工程资料建立计算模型，该隧道埋深5.5m，计算模型的横向长度取90m，竖向长度取43.05m。五级围岩与二级围岩均为水平地层，层理面距地面9.3m。将减震层设置在围岩与衬砌之间，厚度选用0.1m。

使用有限差分软件FLAC3D进行建模，土体使用弹塑性模型，采用摩尔-库伦屈服准则，隧道衬砌采用弹性模型。模型计算分两部分进行，第一部分为静力计算，此时四周与下边界全约束，上边界放松；第二部分为动力计算，此时模型四周采用自由场边界，下边界采用静态边界，动力阻尼为0.1571。动力计算时地震波从模型下边界输入。计算模型如图1所示。

图1 计算模型

2.2 地震波参数

地震波选用8度汶川地震波，加载时间为14.98s，并对地震波进行滤波与基线矫正，得到的地震波的加速度时程曲线(以x方向为例)如图2所示。

图2 加速度时程曲线

2.3 计算参数

围岩参数根据该工程地质勘察资料确定，混凝土参数参考《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)[15]，减震层参数根据实验数据测得。具体参数如表1所示。

表1 计算参数

2.4 计算工况

为研究复合地层中减震层的减震效果，分别在软土层、衬砌底部、衬砌全环设置减震层。减震层为海绵橡胶板，厚度为10cm，计算工况详情如表2、图3所示。

表2 计算工况

(a)工况1(b)工况2(c)工况3(d)工况4图3 工况设置图(红色为减震层)

2.5 测点设置

为反应矩形隧道的结构动力力学响应，在隧道的拱顶、仰拱、左拱肩、右拱肩、左边墙、右边墙、左拱底、右拱底位置设置监测点，具体布置情况如图4所示。

图4 监测点布置图

3 计算结果及分析

3.1 横向位移分析

提取各工况衬砌横向位移进行分析，结果如图5所示。

(a)工况1

提取各工况的结构最大横向位移，计算工况2-工况4横向位移的减震效果(与工况1对比)，计算结果如表3所示。

表3 横向位移及减震效果

由表3可知，与工况1相比，结构横向位移在施加减震层后均有所减小，其中半包减震层可使横向位移减小29.9%；垫层减震层可使横向位移减小23.5%；全环减震层可使横向位移减小19.5%。从横向位移角度分析，施设半包减震层的减震效果最优。

3.2 拱顶位移分析

拱顶位移是衡量结构变形的重要因素，提取各工况下结构的拱顶位移最大值，并计算工况2-工况4拱顶位移的减震效果(与工况1对比)，计算结果如表4所示。

表4 拱顶位移及减震效果

由表4可知，与工况1相比，拱顶位移在施加减震层后均有所减小，其中半包减震层可使拱顶位移减小22.9%；垫层减震层可使拱顶位移减小13.7%；全环减震层可使拱顶位移减小20.6%。从拱顶位移角度分析，施设半包减震层的减震效果最优。

3.3 主应力分析

提取各工况最大与最小主应力进行分析，结果如图6、图7所示。其中主应力受拉为正，受压为负。

(a)工况1(b)工况2(c)工况3(d)工况4图6 最大主应力云图

(a)工况1(b)工况2(c)工况3(d)工况4图7 最小主应力云图

提取各工况下衬砌的最小、最小主应力，并计算工况2-工况4主应力的减震效果(与工况1对比)，计算结果如表5所示。

表5 主应力及减震效果

由表5可知，与工况1相比，设置减震层可以减小衬砌的最大、最小主应力，其中半包减震层可以使最大、最小主应力降低26.1%和8%；垫层减震层可以使最大、最小主应力降低10.8%和1.3%，全环减震层可以使最大、最小主应力降低22.5%和4.7%。从最大、最小主应力方面分析，施设半包减震层的减震效果最优。

3.4 最大剪应力分析

提取各工况最大剪应力，结果如图8所示。

(a)工况1(b)工况2(c)工况3(d)工况4图8 最大剪应力云图

提取各工况下衬砌的最大剪应力，并计算工况2-工况4剪应力的减震效果(与工况1对比)，计算结果如表6所示。

表6 最大剪应力及减震效果

由表6可知，与工况1相比，设置减震层可以减小衬砌的最大剪应力，其中半包减震层可使最大剪应力降低8.1%，全环减震层可使最大剪应力降低1.4%，垫层减震层可使最大剪应力降低4.8%。从最大剪应力方面分析，施设半包减震层的减震效果最优。

3.5 安全系数分析

按公路隧道设计规范[16]计算隧道衬砌结构安全系数，提取各工况隧道截面最小安全系数，并计算工况2-工况4最小安全系数的减震效果(与工况1对比)，计算结果如表7所示。

表7 最小安全系数及减震效果

由表7可知，与工况1相比，设置减震层可以提高衬砌的安全系数，其中半包减震层可以使最小安全系数提高44.2%，垫层减震层可以使最小安全系数提高5.0%，全环减震层可以使最小安全系数提高30.4%。安全系数可以直观反映结构的安全程度，从安全系数方面分析，施设半包减震层的减震效果最优。

4 结论

(1)从位移方面考虑，半包、垫层、全环减震层，分别可以使横向位移减小29.9%、23.5%、19.5%；使拱顶位移减小22.9%、13.7%、20.6%。

(2)从应力方面考虑，半包、垫层、全环减震层分别可以使最大主应力降低26.1%、8.0%、8.1%；使最小主应力降低10.8%、1.3%、1.4%；使最大剪应力降低22.5%、4.7%、4.8%。

(3)从安全系数方面考虑，半包、垫层、全环减震层分别可以使安全系数提高44.2%、5.0%、30.4%。综上，施设半包减震层的减震效果最优。推荐该工程在软土层位置设置减震层进行抗震设防。